《European Journal of Agronomy》：Effects of different water and nitrogen on nitrate distribution and leaching in soil, nitrogen uptake, utilization and translocation by winter wheat
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本研究针对旱作农业区过量施氮与不合理灌溉导致的氮素流失、硝态氮积累及淋失风险等问题，通过开展为期两年的裂裂区试验，系统探究了播前贮水(S)、施氮量(N)和生育期补灌(W)对冬小麦土壤硝态氮(NO3--N)分布、氮素吸收转运与利用效率(NUE)及籽粒产量的影响。结果表明，适度施氮(105-210 kg ha-1)与适量补灌(78.1-100 mm)相结合，可在实现高产(1000-5600 kg ha-1)的同时，有效控制深层土壤硝态氮淋失。该研究为旱地小麦水氮协同高效管理与农业可持续发展提供了重要的理论与技术依据。
在全球气候变化和水资源日益紧缺的背景下，如何在保证粮食产量的同时，减少水资源消耗和氮肥带来的环境压力，已成为现代农业面临的核心挑战。特别是在中国北方广大的干旱和半干旱地区，小麦生产高度依赖于不稳定的降水和有限的灌溉。农民们常常陷入一个两难境地：多浇水、多施肥，担心产量上不去还污染了地下水；少浇水、少施肥，又怕庄稼“吃不饱”导致减产。这背后，是水与氮这对“黄金搭档”复杂而微妙的互动关系。水是氮素在土壤中移动和被作物吸收的“运输车”，而氮又是作物生长的“粮食”。然而，一旦配合不当，过量的氮肥不仅不能被作物有效利用，反而会随着多余的水分向下淋失，变成潜藏在地下的污染源——硝态氮，威胁着我们的饮用水安全。那么，有没有一个“恰到好处”的水氮配方，既能喂饱庄稼，又能守住环境底线呢？为了回答这个关键问题，由Weina Xu、Baoping Yang、Zhikuan Jia和Wenting Han组成的研究团队，在《European Journal of Agronomy》上发表了一项深入的研究。他们试图揭开不同水分条件与氮肥用量如何共同导演土壤中硝态氮的“迁移剧”，以及如何影响冬小麦对氮素的“吃喝拉撒”和最终产量，从而为旱地小麦生产的科学管理找到一把精准的“钥匙”。
研究者们为了探寻答案，运用了几个关键的研究方法。首先，他们设计并执行了一个严谨的田间试验。这个试验采用了裂裂区设计，设置了三个关键的变量梯度：三种水平的播前土壤贮水量（模拟不同的底墒条件）、四种氮肥施用量（从零到高量）以及四种生育期补充灌溉量。这种设计能够精细地剖析水、氮及其交互作用对各项指标的影响。其次，他们对土壤和植物样本进行了系统性的采集与测定。在作物关键生长时期，他们分层采集土壤样品，精确测定不同深度土壤中的硝态氮含量，以此描绘氮素在土壤剖面中的分布与迁移图景。同时，他们分器官（如叶片、茎秆、籽粒等）采集植株样品，通过化学分析方法测定其氮含量，从而计算出作物氮素的吸收、在体内的转运分配以及利用效率等一系列核心指标。此外，他们还通过规范的测产方法获得了最终的籽粒产量数据。最后，他们运用了专业的统计与模型分析工具。对获得的海量数据进行了方差分析，以辨别各处理因素及其交互作用的显著性。更重要的是，他们通过回归分析，建立了施氮量与产量、氮素利用效率、硝态氮淋失等多目标之间的关系模型，从而能够量化地推导出在兼顾产量、效率和环境效益前提下的“最优”施氮量，使得研究结论不仅停留在趋势描述，更具备了定量推荐的实用价值。
3. 结果
3.1. 方差分析
统计分析表明，年份、播前贮水量、施氮量和补灌量的主效应对冬小麦各器官氮含量、氮素转运参数（如花前氮转运量PrNR、花前氮转运效率PrNRE）、氮素利用效率指标（如氮素利用效率NUE、氮素回收率NRR）及籽粒产量均有显著影响。此外，播前贮水与施氮量、补灌量等因素之间存在显著的交互作用，表明水氮管理需要协同考虑。
3.2. 土壤硝态氮含量与淋失的变化
研究发现，较高的播前贮水量提高了整个土壤剖面的硝态氮含量，但也促进了作物吸收，因此在最高的S3处理下，最深层的硝态氮残留反而减少。施氮量是影响硝态氮淋失的主导因素，N210和N315处理显著增加了80-160 cm土层的硝态氮积累。在相同施氮量下，增加补灌水提高了作物对土壤硝态氮的吸收，但总体上补灌水增加降低了各土层的硝态氮含量。氮淋失在W3补灌水平下达到最高。播前贮水也促进了淋失，但在S3处理下，由于更高的土壤湿度改善了作物对硝态氮的吸收，淋失有所减少。
3.3. 冬小麦各器官的氮素分布
在开花期，氮素分配顺序为茎秆 > 叶片 > 穗。较高的播前贮水量增加了所有器官的氮含量。在相同补灌量下，器官氮含量在S2和S3处理下于N210时达到峰值，在S1处理下于N105时达到峰值。补充灌溉也增加了器官氮含量，所有器官在W3时达到最高值。在成熟期，氮素分配层次发生变化，籽粒成为氮素的主要库器官。与开花期相比，各器官氮含量显著下降，反映了氮素向籽粒的再转运。
3.4. 氮素吸收与转运
随着播前贮水量增加，花前氮转运量和花后氮积累量增加。在相同补灌量下，花前氮转运量和花后氮积累量随施氮量增加而增加，在S1处理下达N210，在S2和S3处理下达N315后开始下降。花前氮转运效率和其对籽粒的贡献率在N105时最高。补充灌溉总体上提高了S1和S3处理下的花前氮转运及相关效率。
3.5. 籽粒产量
籽粒产量在S1处理下的N105W3组合、以及S2和S3处理下的N210W3组合达到最大值。产量随播前贮水量增加而增加。在给定补灌量下，产量随施氮量增加至最优值后下降。补充灌溉也提高了产量，W3的产量显著高于W2。
3.6. 氮素利用效率
增加播前贮水量提高了氮素吸收效率(NUPE)和氮素利用效率(NUE)。在恒定补灌量下，NUE和氮素收获指数(NHI)在N105时达到峰值。更高的施氮量显著降低了NUPE和NRR。补充灌溉一般提高了S1和S2处理下的NUPE、NUE、NHI和NRR。
3.7. 基于不同播前贮水类型确定北方雨养小麦的施氮量
通过回归分析，在综合考虑籽粒产量、NUE和土壤硝态氮淋失的环境表现后，确定适宜的施氮量为：S1处理下105 kg ha-1，S2处理下162 kg ha-1，S3处理下168 kg ha-1。在这些施氮量下，预测可获得较高的籽粒产量(1068.7, 3217.7, 5661.5 kg ha-1)，并维持可接受的硝态氮淋失水平。
4. 讨论与结论
讨论部分深入剖析了本研究的发现。研究表明，遗传特性和栽培措施（尤其是施氮量）是决定小麦氮素吸收、积累和转运的主要因素。本试验中，植株保留的大部分氮在开花前积累，并在灌浆期间从营养组织大量再转运至籽粒。播前贮水显著影响地上部氮积累和籽粒产量，印证了雨养小麦系统中“土壤水保险”的概念。充足的土壤水分促进土壤养分溶解，便于作物吸收，为高产奠定基础。适当增施氮肥可提高花前营养器官氮含量及其向籽粒的转运，但过量施氮会使多余氮素残留在成熟期的营养组织中。这主要是因为在雨养条件下，水分是主要限制因子，这会增加土壤耗水，从而减少有效分蘖和籽粒产量。此外，过量施肥会使小麦保持更长的绿色期，延迟成熟，形成密集冠层阻碍通风透光，降低旗叶光合作用和灌浆期冠层光合能力，最终降低籽粒产量。因此，过量施氮会导致浪费性吸收而无相应的肥料效益。氮积累和转运是决定小麦NUE的关键环节。NHI和NUE随施氮量增加而下降。更高的施氮量增加了氮吸收和残留氮，导致更大的淋失和更低的NUPE。补充灌溉也影响氮积累、再转运和利用。类似趋势表明，开花期和成熟期地上部生物量的氮含量以及籽粒产量、NUPE和NUE随灌溉而降低。NHI和NRR在达到一定灌溉量后上升，之后下降。
在水氮管理对环境的影响方面，降水类型、灌溉和施氮量是整个剖面土壤硝态氮含量和淋失的关键决定因素。本研究表明，残留土壤硝态氮和淋失随施氮量增加而增加，且三种播前贮水水平下的土壤硝态氮分布和淋失差异显著。与S1相比，S3处理下硝态氮峰值下移，淋失加剧。硝态氮含量及其垂直分布是淋失风险的关键指标，更深的淋失峰值意味着深层硝态氮积累更多。先前研究已证明，残留土壤硝态氮随施氮量增加而上升，灌溉驱动硝态氮向下移动。当施氮量低于210 kg ha-1时，作物消耗了部分土壤氮；高于此量则会在土壤中留下过量硝态氮。在0-160 cm剖面，不施氮处理下硝态氮含量变化很小。在所有施氮处理中，表层硝态氮浓度最高，并随深度逐渐降低。水是硝态氮淋失的载体。更大的降水量和灌溉量增加了淋失风险。因此，减少灌溉和氮肥用量对于减轻氮淋失至关重要。较高播前贮水下观察到的淋失增加源于土壤水运动增强、氮转化、土壤物理性质、施氮量、气候和管理措施。土壤水分是硝态氮淋失的主要驱动力；更高的施氮量、降水和灌溉显著增加了风险。因此，更多的灌溉或降水改善了土壤湿度，但也加剧了硝态氮淋失。在本研究中，在给定施氮量下，不同水分制度对80-160 cm土层硝态氮积累的影响不显著；然而，在相同补灌量下，不同施氮量产生了显著的硝态氮积累差异。小麦收获后，补灌水促进了80-160 cm土层的硝态氮积累。
本研究得出结论：播前贮水对土壤硝态氮分布、氮素吸收和籽粒产量的影响强于施氮量或补充灌溉。较高的贮水改善了水氮利用效率和籽粒产量，但过量的水若未匹配适宜的施氮量，可能增加深层土壤硝态氮淋失。施氮量是硝态氮淋失的主要驱动因素。高于210 kg ha-1的施氮量显著增加80-160 cm土层的硝态氮积累，导致更高的淋失风险和更低的NUE。补充灌溉在达到阈值前提高了氮素吸收和利用。超过此阈值，额外的水不会进一步提高产量，并可能加剧淋失。针对三种播前贮水条件的最佳管理组合为：S1 (350 mm): N105W3；S2 (450 mm): N162W3；S3 (650 mm): N168W2。这些组合实现了高籽粒产量(1069–5662 kg ha-1)、提高的NUE(23–26%)和可接受的硝态氮淋失(69–76 kg ha-1)。其实践意义在于：在中国北方旱作区，施用适量氮肥(100–170 kg ha-1)并结合满足但不超出作物需水量的补充灌溉，可以同时保障小麦高产和保护地下水水质。
